Колонное массообменное оборудование
Колонное массообменное оборудование, широко применяемое в современной промышленности, предназначено для крупнотоннажных производств.
Для обеспечения высокой производительности используются насыпные насадки, причём из элементов, обеспечивающих наибольшую площадь поверхности контакта фаз при создаваемом наименьшем гидравлическом сопротивлении – то есть предпочтение отдается элементам с небольшой толщиной стенки. При этом важно учитывать простоту изготовления элементов насадки, сложность их транспортировки, возможные трудности при загрузке в аппарат. Именно поэтому до сих пор наиболее распространённой остается насыпная насадка из колец Рашига, которые, например, могут выполняться из стандартных стальных круглых труб, предпочтительно цельнотянутых.
Однако, существует и ряд вариаций кольцевых насадок, нашедших своё применение в промышленности. Одним из таких элементов являются кольца Палля. В тех технологических линиях, где это возможно, подобные кольцевые элементы заменяют кольца Рашига, так как они позволяют увеличить площадь поверхности массообмена. Выбор элементов происходит с учетом конструктивных особенностей массообменного аппарата (например, используемой в нём высоты слоя насадки) и экономической целесообразности использования более сложных и, следовательно, более дорогих элементов.
Однако, существует и ряд вариаций кольцевых насадок, нашедших своё применение в промышленности. Одним из таких элементов являются кольца Палля. В тех технологических линиях, где это возможно, подобные кольцевые элементы заменяют кольца Рашига, так как они позволяют увеличить площадь поверхности массообмена. Выбор элементов происходит с учетом конструктивных особенностей массообменного аппарата (например, используемой в нём высоты слоя насадки) и экономической целесообразности использования более сложных и, следовательно, более дорогих элементов.
Кольца Палля
По своей конструкции, это кольца Рашига, внутри которых расположена одна плоская перегородка, проходящая по диаметру кольца. На практике толщина перегородки выбирается равной толщине стенки кольца.
Ввиду хаотичного расположения колец в насыпных насадках (рисунок 4.2), наблюдается неравномерная деформация колец нижнего ряда слоя насадки от веса верхних рядов.
Ввиду хаотичного расположения колец в насыпных насадках (рисунок 4.2), наблюдается неравномерная деформация колец нижнего ряда слоя насадки от веса верхних рядов.
Ввеличина деформации элементов зависит от их расположения в насадке. Для кольцевых элементов очевидно, что наибольшая степень деформации достигается при их горизонтальном расположении.
В случае же с кольцами Палля при их горизонтальном расположении стоит обратить внимание и на положение внутренней перегородки.
В случае же с кольцами Палля при их горизонтальном расположении стоит обратить внимание и на положение внутренней перегородки.
Наибольшая деформация будет наблюдаться у кольца Палля, расположенного на изображении слева (рисунок 4.3). Так внутренняя перегородка будет принимать лишь незначительную часть от поперечного усилия.
Для предварительной оценки применимости колец Палля в заданных условиях эксплуатации насадки можно воспользоваться компьютерным моделированием в программных комплексах, которые позволяют спрогнозировать деформации различных элементов из разных типов материалов с учетом нелинейных свойств материалов и приложенных нагрузок.
Рассмотрим вариант, где слой насадки образован кольцами Палля с диаметром 50 мм, высотой 50 мм и толщиной стенки 1 мм. Общее количество рядов в слое насадки 105, тогда на каждое кольцо нижнего ряда будет действовать усилие, создаваемое 104 кольцами.
Рассмотрим вариант, где слой насадки образован кольцами Палля с диаметром 50 мм, высотой 50 мм и толщиной стенки 1 мм. Общее количество рядов в слое насадки 105, тогда на каждое кольцо нижнего ряда будет действовать усилие, создаваемое 104 кольцами.
Кольца Палля хаотично расположены внутри аппарата образуя основной слой массообменной насадки (позиция 4 на рисунке 4.4).
Принимаем в качестве материала колец Палля сплав 48НХ (ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки) с плотностью равной 8350 кг/м3, модулем нормальной упругости равным 14000 Н/мм2 (МПа) и коэффициентом Пуассона равным 0,3.
Путём перемножения количества колец Палля (104 штуки), плотности сплава, ускорения свободного падения (9,81 м/с2) и объёма каждого кольца (1,01‧10-5 м3), получаем усилие, оказываемое на каждое кольцо нижнего ряда слоя насадки равное 86,811 Н.
Принимаем в качестве материала колец Палля сплав 48НХ (ГОСТ 10994-74 Сплавы прецизионные. Марки) с плотностью равной 8350 кг/м3, модулем нормальной упругости равным 14000 Н/мм2 (МПа) и коэффициентом Пуассона равным 0,3.
Путём перемножения количества колец Палля (104 штуки), плотности сплава, ускорения свободного падения (9,81 м/с2) и объёма каждого кольца (1,01‧10-5 м3), получаем усилие, оказываемое на каждое кольцо нижнего ряда слоя насадки равное 86,811 Н.
Компьютерная модель деформации колец Палля из сплава 48НХ
При проведении компьютерного моделирования располагаем кольцо Палля горизонтально, с перегородкой параллельно линии горизонта. Поперечное усилие прикладываем к верхней части кольца (сила направлена вниз). Нижняя часть кольца неподвижно зафиксирована на невидимой плоскости.
Рисунок 4.5 – Деформация кольца Палля 50мм*50мм*1,0мм из сплава 48НХ от действия поперечного усилия равного 86,811 Н
По итогам компьютерного моделирования получаем изображение, показывающее перемещение точек на модели от их исходного положения. Наибольшее смещение на верхней части кольца – куда приложено усилие. Нижняя часть кольца неподвижна, поэтому точки на ней не смещаются.
Стоит отметить, что деформация совсем минимальная (менее 0,1 мм), а значит кольца из сплава 48НХ могут быть применены под рассмотренную высоту слоя насадки, при условии их коррозионной стойкости в рабочих условиях колонного аппарата.
На практике деформация будет отличаться от результатов компьютерного моделирования. Однако именно такие компьютерные модели позволяют отобрать наилучшие и наиболее перспективные к использованию варианты сплавов или элементов под заданные условия эксплуатации. Далее отобранные варианты проверяются натурными испытаниями.
Стоит отметить, что деформация совсем минимальная (менее 0,1 мм), а значит кольца из сплава 48НХ могут быть применены под рассмотренную высоту слоя насадки, при условии их коррозионной стойкости в рабочих условиях колонного аппарата.
На практике деформация будет отличаться от результатов компьютерного моделирования. Однако именно такие компьютерные модели позволяют отобрать наилучшие и наиболее перспективные к использованию варианты сплавов или элементов под заданные условия эксплуатации. Далее отобранные варианты проверяются натурными испытаниями.
По итогам проведённого компьютерного моделирования отметим следующее:
1. Кольца Палля из сплава 48НХ показали минимальную деформацию и могут быть рекомендованы к эксплуатации в колонном массообменном оборудовании с рассмотренной высотой слоя насадки (5,25 м) или менее.
2. Подобный подход оценки применимости элементов для колонных аппаратов аналогичен для большинства сплавов и материалов, а также для любых других форм и конструкций элементов массообменных насадок – сплав 48НХ рассмотрен лишь в качестве примера.
3. Можно говорить в целом о целесообразности использования колец Палля из всей группы сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, поставляемых компанией «Техсплав»: 29НК, 30НКД, 32НКД, 32НК-ВИ, 33НК, 36Н, 42Н, 42НА-ВИ, 47НД, 47НЗХ, 47НХР, 47НХ и 52Н.
1. Кольца Палля из сплава 48НХ показали минимальную деформацию и могут быть рекомендованы к эксплуатации в колонном массообменном оборудовании с рассмотренной высотой слоя насадки (5,25 м) или менее.
2. Подобный подход оценки применимости элементов для колонных аппаратов аналогичен для большинства сплавов и материалов, а также для любых других форм и конструкций элементов массообменных насадок – сплав 48НХ рассмотрен лишь в качестве примера.
3. Можно говорить в целом о целесообразности использования колец Палля из всей группы сплавов с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, поставляемых компанией «Техсплав»: 29НК, 30НКД, 32НКД, 32НК-ВИ, 33НК, 36Н, 42Н, 42НА-ВИ, 47НД, 47НЗХ, 47НХР, 47НХ и 52Н.
